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       引子、如何回答“省长之问”？

       “销往海内外的食品，能不能拥有更多名优商标和自主品牌；堆积如山的纸张，能不能转化为高档印刷品和精美包装；铺天盖地的布料，能不能变为服装、内饰和工艺品；多种多样的金属，能不能加工成各种特殊用材和金属制品；遍布各地的化工企业，能不能有一些转向生产精细产品；规模极大的建材工业，能不能提供更多的优质地板、高级陶瓷和卫生洁具；产量高达200万辆的汽车工业，能不能提高中高档乘用车的比例。”

       2014年1月17日，山东省第十二届人民代表大会第三次会议上，在谈到产业结构调整升级时，山东省省委副书记、省长郭树清用了七个“能不能”的疑问表达了对传统工业升级的希望。

       当下，对产业结构偏重的山东来说，经济转型颇为迫切：传统产业占到65%以上，制造业多数处于中低端，能源原材料产业、初加工工业所占比重偏高。能耗高、污染重、附加值低、产业链短已严重制约山东经济竞争力的提升，而七个“能不能”无疑是山东转型迫切需要解决的难题。

       创新转型，如何转？谁能担当重任？破解这个时代赋予的命题是回答“省长之问”的关键。

       起身于战略性新兴产业，碳化硅半导体产业既可以在传统的电力、钢铁、石油等诸多领域施展拳脚，又可在战略性产业如航空航天、半导体照明、电子产品等领域大显身手。眼下，风生水起的碳化硅科研正在产业化的道路上，为经济转型打造“利器”。

       第一部分、碳化硅能改变什么？

       一片厚度不足0.5毫米的碳化硅晶片衬底，能改变什么？

       “你们已经取得了惊人的成就，正在引领一场清洁能源的革命。”这是2011年美国总统奥巴马在科锐公司演讲时重点提到的一句话。作为碳化硅半导体全球研发的领先者，科锐的产品在电力电子、光电子等领域都已经广泛应用，不论是新能源汽车还是智能电网，这个国家最尖端的关键设备上都有碳化硅的影子。这是三年之内，奥巴马两次到访该公司，表明他对碳化硅的重视的原因。这也是美国用十几年持续不断的扶持，将科锐打造成碳化硅行业世界第一企业的原因。

       碳化硅是什么？它如何引领一场清洁能源的革命？

       从刀耕火种的原始社会到以知识经济为特征的信息时代，材料无疑是推动人类进步的“一条腿”。

       上世纪，第一代半导体材料硅（Si）点燃了信息产业发展的“星星之火”，而硅材料芯片也成就了“美国硅谷”高科技产业群，促使苹果、英特尔、谷歌等世界半导体巨头的诞生。毫不夸张的说，没有硅（Si）便没有强大的美国工业。

       95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由硅（Si）材料制作。但近百年的洗礼，曾经的工业“中流砥柱”硅材料逐渐无法满足高温、高压、抗辐射等方面要求，而碳化硅半导体材料便是继硅（Si）、砷化镓(GaAs)之后最为成熟的第三代半导体材料。

       作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合。第三代半导体材料——碳化硅单晶材料广泛应用于电力电子器件、光电子器件等领域，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以实现50%以上的节能效果，可以使装备体积减小75%！

       这只是碳化硅半导体神奇作用的“冰山一角”。“万能”的碳化硅似乎可以在更广泛的领域施展拳脚，比如在国计、民生两大领域都可以“担当大任”。

       第二部分、引发像蒸汽机一样的产业革命

       “蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过。”L.S.斯塔夫里阿诺斯在《全球通史》里断言。

       在瓦特改进蒸汽机之前，整个生产所需动力依靠人力和畜力。伴随蒸汽机的发明和改进，工厂不再依河或溪流而建，很多以前依赖人力与手工完成的工作自蒸汽机发明后被机械化生产取代。工业革命是一般政治革命不可比拟的巨大变革，其影响涉及人类社会生活的各个方面，使人类社会发生了巨大的变革，对人类的现代化进程推动起到不可替代的作用，把人类推向了崭新的蒸汽时代。

       以碳化硅等为代表的第三代半导体材料，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。而且我们已经看到，随着碳化硅生产成本的降低，碳化硅半导体正在凭借其优良的性能逐步取代硅(Si)半导体，打破硅基由于材料本身性能的所遇到瓶颈，无疑，它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命！

       片段一：一颗驱动绿色经济的“小心脏”

       一个小小的半导体碳化硅功率器件能够改变什么？

       它能使石化系统实现节能46%，冶金系统节能42%，城市供排水系统节能45%，化工系统节能24%。

       我国目前风机、水泵、压缩机系统总装机容量约1.6亿千瓦，年耗电近5000亿千瓦时，如果改变调节方式，可实现节能10%—15%，约为500亿—700亿千瓦时，如此惊人的数字也都归功于半导体碳化硅功率器件。在5千伏以上的高压应用领域，半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用，开关损耗最大可降低92%。半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显，设备的发热量大幅减少，使得设备的冷却机构进一步简化，进而大幅度降低电机的体积和重量。同时，随着电机冷却机构简化，制作散热器所用金属材料也相对减少，这也将有效缓解铜、铁及石油等多种资源供求不平的严峻形势。

       未来，半导体碳化硅材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向，成为节能设备最核心的部件，因此半导体碳化硅功率器件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。

       片段二：一辆跑得更快的新能源汽车

       新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块，在处理高强度电流时，具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性；在大电流功率模块中，具有更好的散热性，高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。

       半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失，使其在200摄氏度高温下仍能正常工作，热容进一步减少。更轻、更小的设备更使新能源汽车的载重压力变小，进一步减小能量耗费，促进节能环保。

       目前，德国英飞凌公司针对纯电动和插电式混合动力车，研制出的半导体碳化硅功率模块，将功率范围控制在20—80千瓦；采用沟槽栅和场截止层等国际最先进技术，降低饱和电压，维持开关速度，减小芯片厚度，增大功率密度。另外，通过改进模块内部的焊线工艺，将结温提高到150摄氏度或175摄氏度，增加了功率循环次数，提高了可靠性，大大降低了能耗。

       实际上，半导体碳化硅材料除了在新能源汽车节能中占有重要地位外，在高铁、太阳能、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。

       片段三：一种寿命更长，更加节能环保的LED照明

       从20世纪60年代初第一只LED诞生以来， LED经过40多年的努力，已经实现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色LED的生产和应用。特别是1994年高亮度蓝光LED的诞生，拉开了半导体照明灯(白光LED)逐步替代现有的白炽灯、日光灯作通用照明光源的序幕，引发照明工业的又一场革命。

       目前，可用于批量生产半导体照明灯外延片的衬底材料仅有蓝宝石和碳化硅材料。碳化硅材料具有与氮化镓晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点，是氮化镓系外延材料的理想衬底，由于其良好的热导率(导热性能比蓝宝石衬底高出10倍以上)，解决了功率型氮化镓LED器件的散热问题，特别适合用于制备大功率的半导体照明用LED。使用碳化硅材料作为衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样既大大提高了出光效率，又能有效的降低能耗。

       2008年北京奥运会期间建造的水立方场馆照明即采用了496000颗碳化硅基大功率LED，获得了国际最高照明设计大奖；鸟巢也是用250000颗碳化硅基大功率LED点亮。因国外垄断，水立方和鸟巢的照明材料均从国外进口。现在美国科锐公司推出了“LED城市照明计划”，旨在以碳化硅材料作为衬底，面向全球推动和部署节能LED照明。建设绿色照明示范工程树立起节能减排、环保先进的新形象，必将促进半导体碳化硅照明产业的进程，加快半导体碳化硅时代的到来。

       第三部分、全世界都在等待碳化硅

       半导体带来的奇迹

       将笔记本电脑适配器的体积减少80%，将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小。这正是碳化硅半导体的魅力。

       2014年伊始，美国总统奥巴马亲自主导成立了美国的碳化硅产业联盟，他在成立大会讲话中的一段话引人注目，“同以硅为基础的技术相比，以碳化硅为代表的宽禁带半导体能够在在更高温度和更高电压及频率的环境下正常工作，同时消耗更少的电力、具有更强的持久性和可靠性，并最终前所未有地发挥其性能。这些技术可以减少消费类电子产品的体积，如将笔记本电脑适配器的体积减少80%；也可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小规格。通过支持一个强大的宽禁带半导体制造基地，美国可以引领多个世界上最大、增长速度最快的市场，从消费类电器、工业设备到通讯和清洁能源技术等方面；创造高薪就业机会，用以支撑日益庞大的中产阶级。”

       奥巴马的这一表态背后，是国家对以碳化硅半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业将获得联邦和地方政府总计一亿四千万美元的合力支持，以“用于提升美国在该新兴产业方面的国际竞争力。”

       而早在2013年日本政府就将碳化硅纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。在战略性新兴产业发展方兴未艾的时代，全球都在期待碳化硅半导体带来的奇迹。

       2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。

       美国科锐展出的耐压为1200V碳化硅基MOSFET，已经应用在：太阳能发电用逆变器装置、高电压输出DC/DC转换器装置以及马达驱动用逆变器装置等；德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）采用科锐的碳化硅MOSFET制备的7kW输出太阳能发电用逆变器装置，结果获得97.81％的转换效率，比目前最新Si基MOSFET转换率提高了50.92个百分点，目前正在批量应用中；日本三菱电机利用碳化硅基SBD和碳化硅基MOSFET生产出的电机变频器，与硅（Si）器件制造的同类产品相比，功耗减少70%。同时，采用碳化硅电机变频器的整机体积约为采用Si电机变频器整机体积的1/4，同时碳化硅电机变频器的功耗比硅（Si）电机变频器的功耗下降约54%。

       ……

       站在这些国际碳化硅巨头背后的，则是碳化硅半导体器件的应用即将成为未来清洁能源的主力军，美日欧各国已其列为国家战略的现实。而对于中国而言值得注意的是，在碳化硅材料方面曾经一直被美国科锐、日本新日铁等国际公司所垄断，而近年来，中国企业在碳化硅半导体产业上的努力和突破，已经使我们走在了世界最前沿。

       第四部分、山东企业打造碳化硅产业链

       “碳化硅晶体—碳化硅衬底—外延—芯片—器件—应用”，这是碳化硅一条完整的产业链条。

       在产业上游的碳化硅晶体、芯片制造领域目前被欧美日等少数几家巨头垄断，因这一环节技术含量高，资本投入大，所以进入的壁垒远远高于劳动密集型的中下游环节，整个碳化硅半导体产业呈现金字塔形的产业结构。我国的电子器件主要依靠进口，其中2012年的进口额就高达2000亿美元，超过了石油进口额。

       半导体碳化硅衬底及芯片的重要战略价值，使其始终稳居美国商务部的禁运名单，这也导致我国很难从国外获得相应产品。与很多“中国制造”正从“微笑曲线”的低端向两端价值链的前后端奋进的尴尬不同，来自山东的一家高科技企业已经将碳化硅半导体产业做到了行业前列。

       依托山东大学晶体材料国家重点实验室(中国晶体材料领域唯一重点实验室)，是山东大学承担的国家973和863计划碳化硅重大项目产业化基地和联合研发中心。在已故著名科学家中国科学院蒋民华院士的带领下，经过十多年艰苦努力，突破层层技术障碍，打破国外垄断，成为世界上少数几个掌握此技术的单位之一，目前技术成熟可靠。

       作为产学研合作的成功案例，山东天岳对项目进行了产业转化——三年的产业化尝试，几亿元的销售产值，天岳填补了国内在该领域的空白，打破欧美发达国家长期以来对我国的技术垄断、产品禁运，从源头上解决了受制于人的局面。

       从北京、上海、广东到辽宁、福建、四川，“山东创造”的碳化硅产品已经开始得到广泛应用。以路灯为例。据统计，如果使用半导体碳化硅材料LED路灯替代高压钠灯，以1000支为单位，一年可节省人民币187.98万元。

       这是一笔合算的投资：我国照明用电每年在3000亿度以上，如果用半导体碳化硅LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省三分之一的照明用电，即1000亿千瓦时，这也就意味着节省了相当于总投资超过2000亿元人民币的三峡工程全年的发电量。这对于能源供应紧张的我国来说，具有重要的战略意义。根据新能源产业技术综合开发研究机构的估算结果，到2030年，随着半导体碳化硅材料的普及，如将内置半导体器件全部由碳化硅材料制作，与传统的硅材料器件相比中，电力损耗下降幅度最高可达47%。

       尾 声

       2012年7月，国务院印发的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》(下称《规划》)中提到的七大新兴产业是节能环保产业、新一代信息技术产业、生物产业、高端装备制造产业、新能源产业、新材料产业和新能源汽车产业。《规划》提出，未来的发展目标是我国新兴产业对GDP的贡献率到2015年达到8%，2020年达到15%，2030年达到30%。这对新兴产业特别是碳化硅半导体产业来说无疑是巨大的发展机遇。

       一方面，传统产业是山东省的优势产业，面临着比重大、层次低、竞争力不强的问题，因此传统产业转型升级的任务更为迫切；另一方面，节能降耗和污染防治是建设资源节约型和环境友好型社会的重要抓手，也是产业转型的一个重要目标。

       碳化硅半导体产业作为引领未来经济发展的战略“引擎”和决定性因素，必将在上两个方面起到关键作用。而这也是碳化硅半导体产业支持经济转型，对“省长之问”做出的最好回答。